逆境與宿主免疫系統促使結核分枝桿菌的個體型態變異增加及誘發不繁殖但代謝反應活化的型態

Giulia Manina, Neeraj Dhar, and John D. McKinney

Cell Host & Microbe 17: 32–46, 2015

Speaker: Meng-Ju Tsai (蔡孟儒)                                                  Time: 13:00~14:00, Jun. 24, 2015

Commentator: Dr. Ching-Hao Teng (鄧景浩 老師)               Place: Room 601

摘要：

結核分枝桿菌(Mycobacterium tuberculosis, Mtb)是一種嚴重的病原菌，依目前的統計數據，全球已有三分之一的人被此病原菌感染過。此菌感染人後會引發結核病(tuberculosis)，在臨床上，感染初期，病徵會急速增加，此時為急性期(acute phase)；經過一段時間之後，會轉變成潛伏期(latent phase)，在病人身上的病徵會消失[1]。而將結核分枝桿菌感染免疫系統的小鼠，發現在急性期時，菌是以指數的形式成長；進入潛伏期時，生長會進入幾乎停滯的情況[2]。然而，對於細菌在這樣的生長轉變中，代謝和分裂的情形並不是十分清楚。有文獻指出有些病原菌可能會透過細菌與細菌之間的型態差異來躲過宿主的免疫攻擊、抵制抗生素的藥力，使細菌能夠在急性期到潛伏期時，產生多樣化的生長[3]。為了檢測結核分枝桿菌是否利用類似的機制，作者透過定量式間歇性拍攝顯微鏡(quantitative time-lapse microscopy)和一種螢光標記，rRNA-GFP_des，來偵測單一細菌在in vitro和in vivo的情況下，代謝反應的活化程度。作者發現將細菌從營養充足的培養基轉移到PBS時，細菌的生長會呈現停滯且rRNA-GFP_des的螢光強度也會隨之驟降。接著，作者也發現在有抗生素isoniazid (INH)的情況下，細菌的生長及螢光強度會緩慢的下降，而當移除抗生素時，會有一部份的細菌恢復生長。將結核分枝桿菌去感染巨噬細胞，發現相對於in vitro的情形，細菌的型態差異會增加；但是將被感染的巨噬細胞以INH治療後，細菌的螢光表現程度會下降，類似於in vitro的情形。而將細菌感染正常小鼠後，就如前面提到的文獻所述，細菌的生長會從指數的形式轉變成生長停滯，然而將細菌去感染缺乏抗結核分枝桿菌的細胞激素─IFN的小鼠，其生長會持續呈現指數成長，不會進入生長停滯。另外，作者發現了一件特別的現象，當細菌從小鼠的肺臟內或是從營養缺乏的培養基接種到可以生長的環境時，會有一小部分的細菌不會恢復生長但是代謝反應是活化的狀態，稱為不繁殖但代謝反應活化的細菌。綜合以上結果，作者認為結核分枝桿菌會透過增加型態變異來度過多樣的逆境環境，像是：營養缺乏、宿主免疫系統、藥物的攻擊等情形；此外，作者認為，不繁殖但代謝反應活化的細菌可能是結核分枝桿菌熬過逆境後，存活下來的關鍵因素。

參考資料：

1. E.S. Rittershaus et al. (2013) The normalcy of dormancy: common themes in microbial quiescence. Cell Host & Microbe, 13, pp. 643–651
2. Muñoz-Elías et al. (2005) Replication dynamics of Mycobacterium tuberculosis in chronically infected mice. Infect. Immun., 73, pp. 546–551
3. N.R. Cohen et al. (2013) Microbial persistence and the road to drug resistance. Cell Host & Microbe, 13, pp. 632–642